專利名稱：用循環(huán)流化床反應(yīng)器燃燒液體和氣體燃料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及循環(huán)流化床反應(yīng)器，更特別地涉及將從液體和氣體燃料產(chǎn)生的燃?xì)庖氪朔磻?yīng)器。
流化床反應(yīng)器為立式圓柱形容器，一般包括三個作用區(qū)(a)風(fēng)箱或底區(qū)，位于分割板之下，(b)流化床(鼓泡狀態(tài))或密相(CFB狀態(tài))，緊鄰分割板之上，和(c)超高區(qū)(鼓泡狀態(tài))或稀相(CFB狀態(tài))，最上區(qū)域，在此固體與向上流動的氣流脫離。
流化是通過向上的氣流懸浮固體。用氣體懸浮的固氣混合物類似流體。流化床是包含在流化床反應(yīng)器的中下部的懸浮狀態(tài)的固氣混合物。流化床側(cè)面以反應(yīng)器壁為邊界，底部由分割板盛裝。床的頂部看起來似無規(guī)則的飛濺、沸騰表面。有這種流化床的反應(yīng)器在本領(lǐng)域中稱為“鼓泡”流化床反應(yīng)器。顆粒在其中循環(huán)的反應(yīng)器稱為循環(huán)流化床(CFB)反應(yīng)器。上下區(qū)間的邊界變得難以區(qū)別。CFB反應(yīng)器中波動或“鼓泡”減少。典型的CFB反應(yīng)器用于鍋爐工業(yè)，其中固體燃料即媒、焦炭、木材、橡膠等在反應(yīng)器中燃燒。
流化床反應(yīng)器是極通用的設(shè)備，其以各種方式可進(jìn)行化學(xué)、冶金和其它物料加工領(lǐng)域中用氣體對固體進(jìn)行干燥、篩分、焙燒、煅燒、熱處理的方法，和用于驅(qū)動發(fā)電設(shè)備的熱氣(包括蒸汽)的產(chǎn)生。流化床反應(yīng)器也已成功地應(yīng)用于可燃燒廢氣如污泥和煉油廢物的焚燒。
將液體、固體和氣體燃料直接注入“鼓泡”流化床反應(yīng)器在本領(lǐng)域所公知。由于“鼓泡”流化床反應(yīng)器在相對低的速度下操作，所以大量的熱釋放(氧化)通常發(fā)生在流化床，而不是在超高區(qū)、旋風(fēng)分離器或廢氣導(dǎo)管中。在超高區(qū)過量的熱釋放引起嚴(yán)重的操作問題，包括但不限于結(jié)垢、溫度難以控制、能量需要增加、產(chǎn)品質(zhì)量差和旋風(fēng)分離器及廢氣導(dǎo)管過熱。
CFB反應(yīng)器在較高的速度下操作。固體燃料直接注入CFB反應(yīng)器，導(dǎo)致熱釋放主要在低區(qū)(密相)。與“鼓泡”低流化床反應(yīng)器相反，在上區(qū)(稀相)一些熱釋放(氧化)不會造成很大問題。但是，已發(fā)現(xiàn)將液體和氣體燃料直接注入常規(guī)的CFB反應(yīng)器會大大降低下區(qū)(密相)的熱釋放(氧化)，從而引起上區(qū)(稀相)、旋風(fēng)分離器及相連的廢氣導(dǎo)管過熱。這種過熱導(dǎo)致很多操作問題，包括但不限于結(jié)垢、溫度難以控制、能量需要增加和產(chǎn)品質(zhì)量差。由于這些操作問題，實踐中一般不將液體和氣體燃料直接注入高速CFB反應(yīng)器。
已應(yīng)用幾種方法避免液體和氣體燃料直接注入CFB反應(yīng)器帶來的問題。例如用富氧流化系統(tǒng)加強(qiáng)反應(yīng)動力。但利用富氧流化系統(tǒng)需要使用制氧設(shè)備，從而增加了該系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性。用直接或間接燃燒預(yù)熱流化氣體。但可通過預(yù)熱流化氣輸入該系統(tǒng)的能量數(shù)量有限。
解決上述問題的另一嘗試是通過直接點燃反應(yīng)器的燃燒器加熱CFB反應(yīng)器。燃燒器可用液體或氣體燃料操作。但直接燃燒引起燒結(jié)，其對于溫度敏感進(jìn)料顆粒是產(chǎn)品質(zhì)量的損失。
考慮到現(xiàn)有技術(shù)中的問題和不足，因此本發(fā)明的一個目的是提供一種新的、改進(jìn)的循環(huán)流化床反應(yīng)器系統(tǒng)，其中將由液體或氣體燃料產(chǎn)生的燃燒氣體引入反應(yīng)器的密相，不會導(dǎo)致密相中氧化的顯著降低。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種新的、改進(jìn)的循環(huán)流化床反應(yīng)器系統(tǒng)，其利用反應(yīng)器之外的燃燒器充分地氧化液體或氣體燃料以提供一氧化碳和未氧化碳?xì)浠衔锖康偷娜細(xì)狻?br> 本發(fā)明進(jìn)一步的目的是提供一種新的、改進(jìn)的循環(huán)流化床反應(yīng)器系統(tǒng)，其不采用富氧流化系統(tǒng)。
本發(fā)明還進(jìn)一步的目的是提供一種新的、改進(jìn)的循環(huán)流化床反應(yīng)器系統(tǒng)，其中將燃?xì)庠谶M(jìn)入反應(yīng)器的過渡或密相區(qū)之前驟冷，以防止進(jìn)料顆粒燒結(jié)或過熱。
本發(fā)明的再一個目的是提供一種新的、改進(jìn)的循環(huán)流化床反應(yīng)器系統(tǒng)，其中用于驟冷燃?xì)獾捏E冷空氣可用加工過的顆粒預(yù)熱。
本發(fā)明的進(jìn)一步的目的是提供一種新的、改進(jìn)的循環(huán)流化床反應(yīng)器系統(tǒng)，其可用合理的成本建造和操作。
上述目的和對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是顯然的其它目的在本發(fā)明中達(dá)到，一方面，本發(fā)明涉及一種提供燃?xì)饨o循環(huán)流化床反應(yīng)器的方法，包括如下步驟提供由空氣和燃料組成的混合物，引發(fā)和保持該混合物燃燒以產(chǎn)生燃?xì)?，驟冷該燃?xì)庖越档推錅囟龋褪乖擉E冷的燃?xì)膺M(jìn)入循環(huán)流化床反應(yīng)器的過渡或密相區(qū)。
另一方面，本發(fā)明涉及操作循環(huán)流化床反應(yīng)器系統(tǒng)的方法，包括如下步驟提供循環(huán)流化床反應(yīng)器，提供流化氣的原料至反應(yīng)器的風(fēng)箱，提供進(jìn)料顆粒至流化床反應(yīng)器的流化部分以形成在反應(yīng)器的可滲透氣體的分割板之上的顆粒的流化床，提供反應(yīng)器外部的燃燒器，提供空氣和燃料的混合物至燃燒器以在燃燒器內(nèi)引發(fā)并保持燃燒從而產(chǎn)生燃?xì)?，使燃?xì)怏E冷以降低燃?xì)獾臏囟龋缓笫谷細(xì)膺M(jìn)入反應(yīng)器的過渡或密相區(qū)以實現(xiàn)從燃?xì)庵亮骰w粒的熱量傳遞，使傳熱產(chǎn)生的尾氣的固體成分反回反應(yīng)器的流化區(qū)，和使加工過的顆粒從反應(yīng)器底部除去。
再一方面，本發(fā)明涉及一種循環(huán)流化床反應(yīng)器系統(tǒng)，包括一循環(huán)流化床反應(yīng)器和至少一個燃燒器，該燃燒器有第一入口用于接收空氣和燃料引發(fā)和保持燃燒器內(nèi)燃燒以產(chǎn)生燃?xì)?，燃燒器有第二入口用于接收驟冷空氣以降低燃?xì)獾臏囟?，燃燒器有一出口與反應(yīng)器的過渡或密相區(qū)相連以允許驟冷過的燃?xì)膺M(jìn)入其中。


圖1為本發(fā)明循環(huán)流化床反應(yīng)器系統(tǒng)的側(cè)視圖。
圖2為用于圖1所示循環(huán)流化床反應(yīng)器系統(tǒng)中的外部燃燒器的放大側(cè)視圖。
參見圖1，本發(fā)明的循環(huán)流化床反應(yīng)器系統(tǒng)1包括流化床反應(yīng)器2，燃燒器24，導(dǎo)管30，旋風(fēng)分離器32，導(dǎo)管40，閥42和導(dǎo)管46、48。流化床反應(yīng)器2包括殼4，風(fēng)箱6，可滲透氣體的分割板10，密相或過渡相區(qū)12和稀相區(qū)14。將已減至預(yù)定顆粒尺寸的粒子20加至導(dǎo)管19的入口18中以形成基本上水平的分割板10之上的顆粒床。分割板10有許多孔或風(fēng)口13以接收來自風(fēng)箱6的流化空氣從而使顆粒20保持在流化狀態(tài)(風(fēng)口是流化床底部的噴嘴或類似裝置，用于分布該床整個橫截面上的流化氣)。用鼓風(fēng)機(jī)(未示出)將流化空氣送入風(fēng)箱6的風(fēng)箱入口8。風(fēng)箱排放口53收集經(jīng)風(fēng)口落下的顆粒。在優(yōu)選的實施方案中，顆粒20被支承在流化空氣保持在流化狀態(tài)。但其它含氧氣體也可應(yīng)用。顆粒20被支承在流化空氣的上升柱上，以致顆粒具有液體的特性。加入該床的新顆粒經(jīng)流化過程迅速而均勻地分布。顆粒20的床保持在恒定的攪拌和懸浮狀態(tài)，以致從燃?xì)?由外部的燃燒器24產(chǎn)生)至流化顆粒20的傳熱是瞬時和均勻的。
參見圖1和2，燃燒器24包括燃燒器外殼25、燃料和燃燒空氣入口26、驟冷空氣入口28、導(dǎo)管29和燃燒室27。燃燒器24由支承構(gòu)件52被反應(yīng)器2支承。液體或氣體燃料和空氣的混合物加至入口26?；旌衔锏娜剂吓c空氣的比率足夠在燃燒室27內(nèi)引發(fā)并保持燃燒。燃料/空氣混合物中的燃燒空氣為化學(xué)計算需要量的近120-180%，優(yōu)選150%，以提供得到的燃?xì)鉁囟燃s為2200°F-2800°F。燃燒器24充分地氧化或燃燒燃料/空氣混合物以提供一氧化碳和未氧化碳?xì)浠衔锖康偷娜細(xì)?。將燃?xì)庖脒^渡區(qū)或密相區(qū)12的較上部之前，通過供給驟冷空氣使燃?xì)怏E冷，驟冷空氣加至入口28并由導(dǎo)管29送入室27。驟冷空氣的溫度為約700°F至約1200°F。但在優(yōu)選的實施方案中，驟冷空氣的溫度為約1000°F驟冷也可用溫度近100°F的環(huán)境空氣實現(xiàn)。驟冷空氣使燃?xì)獾臏囟冉抵良s1800°F。燃?xì)鉁囟鹊慕档头乐诡w粒20過熱或燒結(jié)，也防止過渡或密相區(qū)12內(nèi)顯著的氧化降低。驟冷空氣可通過從出口22放出的處理過的顆粒間接或直接地預(yù)熱。驟冷后，即將燃?xì)饧尤脒^渡區(qū)或密相區(qū)12的較上部(圖2中箭頭51表示燃?xì)饬鲃勇窂?。在過渡區(qū)或密相區(qū)12的較上部中從燃?xì)庵亮骰w粒的傳熱是均勻和瞬時的。引入過渡區(qū)或密相區(qū)的較上部導(dǎo)致能量輸入該區(qū)，而不是稀相區(qū)14，從而防止區(qū)14及相連的輔助設(shè)備即導(dǎo)管30、旋風(fēng)分離器32和導(dǎo)管34過熱。
稀相區(qū)14接收由燃?xì)庵令w粒20的傳熱產(chǎn)生的低顆粒濃度的尾氣。尾氣由氣體和夾帶的固體成分組成。尾氣通過出口16進(jìn)入導(dǎo)管30，其與旋風(fēng)分離器32的入口相連(箭頭3表示尾氣的流動路徑)。旋風(fēng)分離器32使氣體與多數(shù)被夾帶的固體分離，其中氣體通過導(dǎo)管和旋流定向出口34排出，夾帶的固體通過出口36排放。底流出口36通過伸縮接頭50與導(dǎo)管40相連。通過旋風(fēng)分離器32的底流出口36排出的夾帶固體經(jīng)導(dǎo)管40移至閥42(箭頭5表示排出的夾帶固體的流動路徑)。閥42優(yōu)選為Dorr-Oliver，Incorporated of Milford，Connecticut生產(chǎn)的FluoSealTM。FluoSeal是能容納可流化固體或顆粒的U型管。流化氣加入U型管底。該裝置起壓力密封的作用，從而允許可流化的固體用高于或低于環(huán)境壓力的壓力抽出或吸入容器。但是，非機(jī)械型閥如“J”或“L”閥也可應(yīng)用。鼓風(fēng)機(jī)(沒表示)將空氣或其它流化氣供至閥42的入口44，以保持閥42內(nèi)的固體流化。為實現(xiàn)閥42內(nèi)經(jīng)導(dǎo)管46、40而進(jìn)入密相區(qū)12的固體顆粒的均勻分布，流化是必要的(箭頭7和9表示流化顆粒的流動路徑)。閥42始終保持一定量的固體組分，足以防止燃?xì)庖耘c箭頭9和7所示的相反方向通過。伸縮接頭50使閥42與導(dǎo)管46相連。
用于該系統(tǒng)中的燃燒器24的數(shù)量取決于所用循環(huán)流化床反應(yīng)器的尺寸，和執(zhí)行方法的類型，即煅燒，焙燒等。本發(fā)明的系統(tǒng)可用于完成各種方法，包括但不限于煅燒磷酸鹽型巖或礬土、燃燒堆積在進(jìn)料顆粒上的碳或其它有機(jī)物、產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，例如使碳酸鈣轉(zhuǎn)化成的氧化鈣或二氧化碳、由預(yù)形成的氧化鈣生產(chǎn)硫酸鹽、由硫化物礦石生產(chǎn)二氧化硫和重整硫酸鈣。本發(fā)明系統(tǒng)可用于完成其它類型的均相和非均相型反應(yīng)。此外，本發(fā)明系統(tǒng)還可適用于“快速流化”CFB反應(yīng)器上。
由此可見前面提出的目的(包括以上描述中所體現(xiàn)出的目的)能夠有效地達(dá)到，由于在不違背本發(fā)明的精神和范圍的情況下對上述結(jié)構(gòu)可作一定變動，所以本發(fā)明的以上描述或附圖所表示的應(yīng)解釋為說明而不是限制。
雖然本發(fā)明已經(jīng)說明并描述了認(rèn)為是最實際和優(yōu)選的實施方案，但考慮到很多改變是可能的并包括在其范圍內(nèi)，因此附加的權(quán)利要求有資格至等價物的所有范圍。
權(quán)利要求
1.一種向循環(huán)流化床反應(yīng)器提供燃?xì)獾姆椒?，包括如下步驟(a)提供由空氣和燃料組成的混合物；(b)引發(fā)和保持所述混合物燃燒，以產(chǎn)生燃?xì)猓?c)驟冷所述燃?xì)庖越档推錅囟?；?d)將所述驟冷過的燃?xì)庖胙h(huán)流化床反應(yīng)器的密相區(qū)的較上部。
2.權(quán)利要求1的方法，其中所述驟冷空氣通過從反應(yīng)器排出的處理過的顆粒預(yù)熱。
3.權(quán)利要求1的方法，其中所述驟冷空氣的溫度為約700°F至約1200°F。
4.權(quán)利要求3的方法，其中所述混合物中空氣是過量的，以提供約2200°F至約2800°F溫度的燃?xì)狻?br> 5.權(quán)利要求4的方法，其中所述驟冷空氣使所述燃?xì)獾臏囟冉档?，以防止顆粒過熱或燒結(jié)和所述反應(yīng)器的密相區(qū)內(nèi)顯著的氧化下降。
6.權(quán)利要求5的方法，其中所述混合物被充分的氧化以使一氧化碳和未氧化的碳?xì)浠衔锏暮康汀?br> 7.權(quán)利要求6的方法，其中所述燃料是氣體。
8.權(quán)利要求6的方法，其中所述燃料是液體。
9.一種操作循環(huán)流化床反應(yīng)器系統(tǒng)的方法，包括如下步驟(a)提供循環(huán)流化床反應(yīng)器;(b)提供進(jìn)料顆粒至所述流化床反應(yīng)器的密相區(qū)，以形成顆粒的流化床;(c)提供至少一個所述反應(yīng)器之外的燃燒器;(d)提供空氣和燃料的混合物至所述燃料器，以在所述燃燒器內(nèi)引發(fā)和保持燃燒，從而生產(chǎn)燃?xì)?(e)驟冷所述燃?xì)庖越档退鋈細(xì)獾臏囟?(f)然后將所述燃?xì)庖胨龇磻?yīng)器的密相區(qū)以實現(xiàn)從所述燃?xì)庵亮骰w粒的熱量傳遞;(g)使步驟(f)中所述傳熱產(chǎn)生的尾氣的固體成分反回至所述反應(yīng)器的密相區(qū);和(h)從所述反應(yīng)器的密相區(qū)排出加工過的顆粒。
10.權(quán)利要求9的方法，其中所述的反回步驟包括如下步驟(a)在所述反應(yīng)器的稀相區(qū)，回收由所述傳熱產(chǎn)生的尾氣;(b)提供旋風(fēng)分離器;(c)將稀相區(qū)中回收的尾氣引入所述旋風(fēng)分離器的入口;(d)使尾氣的固體成分與尾氣的氣體成分分離，從而由所述旋風(fēng)分離器的底流出口排放固體成分;(e)使由所述旋風(fēng)分離器的底流出口放出的固體成分流化;和(f)然后將所述流化固體成分引入所述反應(yīng)器的密相區(qū)，以使所述流化固體成分暴露于所述燃?xì)庵小?br> 11.權(quán)利要求9的方法，其中所述驟冷空氣的溫度為約700°F至約1200°F。
12.權(quán)利要求11的方法，其中所述混合物中空氣是過量的以提供溫度約2200°F至2800°F的燃?xì)狻?br> 13.權(quán)利要求12的方法，其中所述驟冷空氣使所述燃?xì)獾臏囟冉档鸵苑乐惯M(jìn)料顆粒過熱或燒結(jié)和所述反應(yīng)器的密相區(qū)內(nèi)顯著的氧化下降。
14.權(quán)利要求13的方法，其中所述燃料是氣體。
15.權(quán)利要求13的方法，其中所述燃料是液體。
16.一種循環(huán)流化床反應(yīng)器系統(tǒng)，包括一循環(huán)流化床反應(yīng)器;和至少一個燃燒器，所述燃燒器有第一入口用于接收用于在所述燃燒器內(nèi)引發(fā)和保持燃燒以生產(chǎn)燃?xì)獾目諝夂腿剂希鋈紵饔械诙肟谟糜诮邮沼糜诮档退鋈細(xì)鉁囟鹊捏E冷空氣，所述燃燒器有一出口與所述反應(yīng)器的密相區(qū)相連以允許所述驟冷過的燃?xì)膺M(jìn)入其中。
17.權(quán)利要求16的系統(tǒng)，其中所述驟冷空氣的溫度為約700°F至約1200°F。
18.權(quán)利要求17的系統(tǒng)，其中接收在所述燃燒器中以引發(fā)和保持燃燒的空氣是過量的以提供溫度約2200°F于2800°F的得到的燃?xì)狻?br> 19.權(quán)利要求18的系統(tǒng)，其中所述驟冷空氣使所述燃?xì)獾臏囟冉档鸵苑乐顾鲱w粒過熱或燒結(jié)和在所述反應(yīng)器的所述密相區(qū)內(nèi)顯著的氧化減少。
20.權(quán)利要求19的系統(tǒng)，其中所述燃料是氣體。
21.權(quán)利要求19的系統(tǒng)，其中所述燃料是液體。
全文摘要
一種將燃?xì)庖胙h(huán)流化床反應(yīng)器的密相區(qū)的較上部或過渡區(qū)的方法和系統(tǒng)。燃?xì)庠诜磻?yīng)器的密相區(qū)之外的燃燒器內(nèi)產(chǎn)生，其中燃燒器接收液體或氣體燃料和空氣的混合物以在燃燒器內(nèi)引發(fā)和保持燃燒。然后燃?xì)庠谶M(jìn)入反應(yīng)器的密相區(qū)之前驟冷以降低燃?xì)獾臏囟?，從而防止顆粒過熱或燒結(jié)和反應(yīng)器密相區(qū)中顯著的氧化減少。
文檔編號F23C5/00GK1106131SQ9411372
公開日1995年8月2日 申請日期1994年9月13日 優(yōu)先權(quán)日1993年9月13日
發(fā)明者S·A·邦克, G·湯馬西奇奧 申請人:多爾-奧利費公司